管内排屑深孔钻削技术.ppt

单管内排屑深孔钻削技术,1.1 单管内排屑深孔钻的由来 单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后。 其历史背景是：枪钻的发明，使小深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了满意的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚性不足，进给量受到严格限制等先天缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。如能改为内排屑，则可以保持钻头和枪杆为中空圆柱体，使钻头快速拆装和提高刀具刚性问题同时得到解决。,1 单管内排屑深孔钻的产生和发展,20世纪内排屑深孔钻的发展，可概括为以下6项有里程碑的成果： 1、单出屑口单管内排屑深孔钻基本结构的形成； 2、用硬质合金取代工具钢和高速钢作切削刃及导条，使加工效率大幅度提高； 3、由单出屑口单切削刃发展成双出屑口的错齿结构； 4、错齿焊接式结构进一步发展为硬质合金刀片机夹结构，最后发展为机夹可转位涂层刀片结构并实现了专业化制造； 5、双管喷吸钻和DF系统喷吸钻的问世； 6、SIED抽屑器和SIED刀具系列的发明。,1.2 最初的内排屑深孔钻结构有三种模式 1) 图2-1莫尔斯钻头。可以很方便地实现可快速拆装的方牙螺纹连接，一举克服了枪钻与钻杆不可拆卸的弊端，成为内排屑深孔刀具柄部的通用模式。 2)整体深孔钻头,钻头由整体的合金工具钢或高速钢制成。其切削刃部继承了枪钻的单边刃自导向结构，柄部则借鉴了莫尔斯钻头和枪钻： 当钻头直径22mm时采用方牙螺纹连接； 钻头直径22mm时采用钻柄与钻杆对焊。这种钻头曾采用两种分屑方法以克服排屑故障。 缺点：制造成本高，而且工效低（平均切削速度不超过20m/min），不易重磨。,3）Beisner深孔钻 二战后期的1942年，德国人Beisner设计出一种带3片硬质合金镶片（一片为切削刃，其余2片为导条）组成的单出屑口内排屑深孔钻（图2-3）。其外刃后刀面上磨出12个分屑刃，外刃前刀面磨有断屑台。钻头有一个封闭的空腔，后部有制口和方牙螺纹，与钻杆相应的外制口和外方牙螺纹构成快速连接副。,直到Beisner钻头的出现，内排屑深孔钻都是单出屑口的结构。这种内排屑钻头的明显优点在于钻头和枪杆的快速拆卸功能和刚度远大于枪钻，因而可以采用更大的进给量，工效高于枪钻。 但在实用中很快就暴露出以下各种缺陷：钻头出屑口通道面积不足，对切屑的宽度和形态要求苛刻，必须根据工件材质的变化刃磨出与之相适应的断屑台（高度，宽度和过渡圆角R），使切屑成为小“C”形，并且切屑宽度不大于钻头直径的1/3。 曾经有不少史料报道过这种单出屑口的内排屑硬质合金深孔钻的极限加工记录（例如，最小钻孔直径达6mm，达到的钻孔深度超过孔径的300倍以上，等等）。,但是，这些实验记录与生产实践中的应用效果并不能相提并论。要求操作人员根据不同的工件材质、钻头直径、进给量大小相应地控制断屑台尺寸参数和分屑刃参数，并且在切削刃重磨时，保持断屑台的参数不变，这在实践中几乎是行不通的。基于上述原因，当时欧洲的跨国研究机构“钻镗孔与套料协会”（Boring and Trepanning Association,简称BTA）对这种内排屑钻头加以总结后，推出了由双出屑口单管内排屑深孔钻和扩孔钻、套料钻三种内排屑深孔刀具组成的BTA刀具系列。20世纪60年代后，BTA刀具基本上由瑞典SANDVIK/COROMANT公司独家生产，单出屑口的实体钻结构一律由双出屑口结构取代，又称为STS（single-tube system，单管钻）钻头。,STS钻由18.465mm为焊接刀片结构，65180mm的大直径钻头采取机夹可转位刀片的组装结构，分别见图2.4（a）和（b）。,焊接刀片型BTA钻原来为可重磨式，其切削刀片和导条较长。但由于断屑台的刃磨涉及工件材质、进给量等复杂因素，加上刀具为错齿结构，中间齿的切削刃与其他齿的切削刃不在一个圆锥面上，因而一般企业用户基本不具备重磨条件，不得不在一次使用后尚可重磨的情况下将钻头报废。20世纪80年代后，这种焊片式钻头一律改为短刀齿的一次性使用（Disposible）产品。 BTA扩钻由BTA实体钻所派生，其排屑方法与实体钻相同。BTA扩钻的主要用途是对工件已有的粗孔（如无缝管孔、铸孔等）进行加工，也可对已钻出的较小孔进行扩大。,目前，以商品形式提供的BTA扩钻，一律采用机夹可转位刀片型结构，仅有一片刀齿，见图2.5。直径大于100mm的扩钻，则设计成一种结构更复杂的直径可调式机夹结构。,图2.6为BTA套料钻。 其直径由120250mm，可套出料芯32.5142.5mm，全部为机夹可转位结构。套料钻用于在大型棒料上钻出120mm以上的深孔。,2.2 BTA刀具的工作原理,单管内排屑深孔机床的基本配置如图2-7。 实体钻、扩钻或套料钻，都采用相同的供油和排屑方式。 钻头的柄部有方牙螺纹与钻杆相连接。具有一定压力的切削液进入输油器5后通过钻杆外部的环状空隙流向切削刃部（钻杆与输油器的右端有密封），将切削刃上形成的切屑反向压入钻头的出屑口，经钻杆的中空内腔向后排出，直至积屑盘。切削液经过滤网回落到油箱中，经过若干层过滤网后，重新供油泵抽出，反复使用。,20世纪70年代以前，内排屑深孔钻床主要用于加工管形工件，绝大多数深孔机床属于主轴（带工件）旋转、刀具进给，或刀具与主轴反向旋转，工件进给的运动方式。80年代以后，在固定工件上钻系列孔、坐标孔的事例越来越多，工件固定、刀具旋转并进给的内排屑深孔机床已经很常见。 图2.8（a）、（b）、（c）分别示出BTA实体钻、扩孔钻和套料钻的供油和出屑情况。图中箭头表示切削液进入通道和切屑排出通道的走向。,图2-9为输油器（或称油压头）的示意图。 输油器是内排屑深孔钻床上一个十分重要的部件（也称辅具），它同时要承担以下三项重要功能： （1）将高压切削液输向钻头切削刃，以完成冷却，润滑和排屑三重使命。 （2）对工件定心和实行轴向夹紧。 （3）对钻头进行导向。 以上（2）、（3）两项功能一般都由钻套来完成。钻套的外部与车床的尾顶尖相似，通常加工成60锥面，而内腔为钻头导向孔。钻套的内外径须高度同轴，轴的中心线与主轴中心严格保持一致。钻套孔与钻头之间的间隙必须严格控制。,这种兼有工件后顶尖作用的导向套，又称空心顶尖，是棒料毛坯钻深孔时常见的一种定位和钻头导向方法。采用这种定位方法的棒料，在钻深孔之前一般应先切平端面，预钻顶尖孔并粗车外圆，以保证在工件旋转情况下不发生振摆。顶尖孔推荐图2.10所示三种型式,当工件过重、过长或弯曲度较大时，不适于采用带有外锥的空心顶尖。常见的对策有两种： （1）工件以钻入一端支承在中心架上，用带有平头端面和密封环的钻套顶紧工件的端面（见图2.11）。工件旋转时，钻套也随之旋转。,钻套内径与钻头之间的间隙，对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大还会加大钻头走偏。,2）将工件钻入端的外部车出60锥面，在输油器前端相应设置带有60内锥的定位套，如图2.12。,根据国内外的实践经验，对于50mm以下的钻头，新钻头与新钻套之间的直径差应不大于0.01mm；已磨损的钻套，其直径的最大磨损量应控制在0.005mm范围内。50mm以上的钻头与新钻套之间的间隙应不大于0.02mm，钻套的直径磨损量应不大于0.01mm。 为此，应从钻头直径和钻套内径两方面入手加以保证。50mm以内的钻头，其直径公差不大于0.005mm，50mm以上不大于0.01mm。钻套内径一般经研磨而成，新钻套的内径应允许尺寸为钻头直径上限的柱塞规刚刚能通过。钻套的内外径应严格同轴。一般是先研出钻套孔，再以孔为基准，套在锥度芯棒上磨出外圆。,输油器后端与钻杆的密封也很重要。除了保证切削液不泄露这一基本功能以外，密封件实际上还起到钻杆辅助支承的作用。密封件因磨损而必须及时调节或更换；当更换不同直径的钻杆时，需相应地换装不同直径的密封件。因此，换装密封件是否方便快速，将直接影响机床的工作效率。 装配好的输油器，其钻套中心线应与机床主轴的回转中心严格保持一致。,3 内排屑深孔钻设计中的分屑、断屑和导向条设计问题,2.3.1 由于解决排屑通道不足而采取的对策之一分屑和断屑 最大难题是如何克服排屑通道截面积不足的问题。图2.13是同一直径枪钻和单出屑内排屑深孔钻的横截面示意。 枪钻的排屑通道（图2.13a）是前后一致的1100V形槽。设两种钻头的直径相同，并以D表示，则枪钻的排屑通道断面积为： A=（D2/4）（110/360）=0.24D2,再看单出屑口内排屑钻头的情况（图2.13b）。与枪钻不同，内排屑钻头的排屑通道截面是先后不一致的：在切屑的入口处（钻头喉部），切屑通道最狭窄；当切屑进入钻头内腔后，通道变大，直到钻杆的末端均保持不变。因此，喉部的最小断面积就是实际的排屑通道面积。按照内排屑钻头设计的通常数据，取钻头内腔（同钻杆孔径）直径为0.55D，出屑口张角=1350，可求得其喉部通道面积为： A=（0.55D）2/4（135/360）=0.09D2 仅为枪钻的A/A=37.5%。,再比较二者的供油通道面积。 与前相反，枪钻头部进油孔的截面积是供油通道中面积最小的部位。按出油孔直径为D/4计，则其有效供油面积为： B=（D/4）2/4=0.049D2。 单出屑口内排屑钻头的进油通道最小截面积，位于钻头体外圆与孔壁之间，并扣除二导条宽度所占有的部分。每一导条的宽度按直径的25%计，则其进油通道断面积为： B=（/4）D2-（0.9D）2（1-0.50/）=0.125D2 相应求得B/B=2.5。 从上述对比可知，在钻头直径相等的条件下，单出屑口内排屑深孔钻的排屑通道截面仅及枪钻的37.5%，但供油面积为枪钻的2.5倍。从而证明，内排屑钻头的主要障碍在于排屑，枪钻由于供油通道不足，必须依靠加大油压，但排屑条件远比内排屑钻头为佳。,如进一步比较内排屑钻排屑与供油通道面积得A/B=72%。这意味着，切削液通过钻头喉部时，其流速必须增大30%左右。但如果考虑到切削液在流经喉部之间的瞬间，还必须以其动量将切削刃部产生的切屑一起带入喉部。此时，受切屑干扰的一部分切削液，流速将会降低，并同时产生干扰流。在这种情况下，切屑如何顺利通过喉部进入面积为0.09D2的空腔，将成为一个焦点。 这就是内排屑深孔钻排屑问题的实质所在。,不难设想，要想让切削液携带切屑加速而顺利地通过钻头喉部，必要的条件应当是：切屑必须具有适当的轮廓尺寸而且切屑形态规律一致，切屑液的粘度也不应太大。所谓“适当的轮廓尺寸”，就是要切屑的长、宽、高任何一项，均必须小于喉部的最狭窄部位（d/2）。所谓“切屑形态规律一致”，就是要保持切屑轮廓尺寸不发生大的变化，特别要避免长卷切屑和漫卷无规律切屑的出现。 在各种可能产生的切屑形态中，显然以“小C形”、锥形片状切屑两种为最佳，其次为短螺卷状，见图2.14（a）、（b）、（c）。,为了获得以上的切屑形态，可供选择的措施有三项： 1、将外刃形成的切屑分割为24条，即“分屑”； 2、采取断屑措施，使切屑长度受到控制； 3、对钻头进给方向施加周期性的脉冲振动，以获得理想的断屑效果。 由于第3项措施实施起来有种种困难，一般难于采用。只有在特定情况下（例如工件材质加工难度高，但又有足够的产量时）才考虑采用。另外，在数控机床上通过编程实现钻头的周期性进给中断，也是一个有前景的方向。 在实践中，分屑和断屑就成为解决内排屑深孔钻排屑问题的基本措施。,1、分屑 把切削刃后刀面磨成台阶，是最简单易行的分屑方法。图2.15是单出屑口内排屑深孔钻常见的两种分屑方案。其中方案（a）是将外刃磨出一个台阶（即分成两个外刃）。此时内刃宽度为0.2R，两外刃分别为0.4R。本方案适用于钻头直径相对较小的情况（例如40mm以下）。当钻头直径较大时，仍保持内刃宽度B=0.2R，将外刃磨出两个分屑台从而形成三个外刃，三刃的宽度相等。或使最外侧的外刃稍宽一些，达到R/3。 由于采取了上述分屑措施，使切屑由枪钻加工时的内外两支增加为34支，切屑宽度相对减小。但为了达到使各支切屑宽度大致相等的目的，而使内刃宽度变小。,与枪钻相比，内排屑钻的钻尖位置相对地移近钻头轴线。为使作用于第二导条（即与切削刃相对的导条）所受反作用力不致过大，相应采取了减小外刃偏角的措施，通常取=1215。分屑后的第一外刃，其偏角1应稍大于，以利于外侧的切屑分支流向出屑口。一般取 1=+（23）。与此相应，内刃偏角取较大值1820。 为了使分屑得到可靠保证，分屑台的高度一般不得小于钻头进给量的3倍，但也不应过大。通常取值范围在0.30.8mm之间，视钻头直径而定。 分削刃的设置，使外刃的拐点后移。内刃宽度B的减小，加上外刃拐点的后移，使得内刃偏角必须相应增大，以保持导条的合理滞后量。为此，内排屑钻头的内刃偏角应适当大于外刃偏角。,2.断屑 仅仅采取分屑措施是不够的。分屑后，外刃将形成几条细长的卷屑，当在出屑口喉部交汇时，很容易互相纠缠而堵塞出屑口。而出屑口一旦被堵塞，后续的切屑很快被压实。此时，如操作者未能及时发现并停车，将会发生刀具崩刃以至钻杆损伤，工件报废等事故。因此，能否通过断屑获得理想的排屑效果，就成为决定BTA实体钻排屑成败的另一个关键。 图2.16(a)为断屑台的示意图。其主要参数为宽度b、高度h和过渡圆角R。,断屑台的几何参数必须与工件材质、钻头直径和钻头进给量相适应，才能获得图2.16（b）所示的理想的“小C形”切屑。如果断屑台过宽或进给量太小，就会产生图示的长卷切屑。这种切屑是排屑中的大忌，发现时应及时加大进给量予以消除。如断屑台太窄，会产生图示的卷筒状切屑，使切削刃寿命缩短。当切削刃有显著磨损时，切屑呈无规则的时断时续，切屑长度加大，外层由光亮变为灰暗粗糙。此时应及时停车更换新钻头。 表2-1为断屑台几何参数的推荐数据。实际采用时，最好先针对加工材质、切削用量和设备条件的实际情况进行试验，然后再对断屑台的几何参数进行必要的修正。,在断屑台的三个因素中，不应当忽视R的作用。R太大，切屑易成为带状，不易折断，在进入钻杆空腔后形成堵屑，在孔径较小时应特别注意避免。R太小，切屑会直接撞及断屑台，造成崩刃。为保证顺利排屑，切削液应有好的流动性（30时的运动粘度范围应在1020mm2/s间），在油温变化时粘度变动不大。此外，作为前提条件，机床的液压系统必须工作正常。特别在钻孔直径较小时，应有足够的油压（25MPa）。,3.2 双出屑口错齿BTA钻使内排屑深孔钻臻于完善的新结构,对单出屑口内排屑深孔钻采取分屑和断屑措施，原本是在出屑口面积无法进一步扩大的前提下，为解决堵屑问题而采取的被动措施。但分屑的思路引发了错齿结构的诞生。错齿结构的设计方案使内排屑深孔钻不仅在排屑方面得到进一步改善，而且在其他功能上也带来重大的改观。 将错齿钻（图2-4）与单出屑口钻（图2-3）进行对比，如果把分屑口的单出屑口钻头每段切削刃看作一个刀齿，而把其中互成间隔的12个齿绕中轴转180左右，并在原出屑口对方相应地开辟出第二出屑孔，就成为错齿钻的基型。因此可以认为，错齿钻是单边刃切削深孔钻的一种衍生结构，它既保留了单边刃切削钻头的某些特征，又具有双刃钻的某些特征。,错齿钻虽可认为是通过将单齿钻的中间齿转位180而衍生的结构，但在功能上却发生了一些重要的变化。除了排屑通道面积增大，各支切屑减少了互相干扰之外，各个钻齿的切削条件也发生了变化。整个钻头和导条受力情况更加合理。与此同时，钻头设计和制造难度也大大增加，引发了内排屑深孔钻的专业化和现代化生产。错齿钻排屑条件的变化错齿钻由于比单齿钻增加了一个出屑孔，其喉部通屑面积有所增大，见图2-17。 单齿钻的排屑口张角一般相当于135左右（图2-17（a）。错齿钻第一排屑口的张角约为100，第二排屑口的面积稍小，约相当于张角70时的面积。两者相加，其总排屑断面约为单出屑口钻头的170/135=1.26倍，即相对增大了四分之一。此为错齿钻排屑条件明显可见的变化。,另一个不易直接察觉的变化是，由于错齿，与大 出屑口相应的外刃切屑分支被互相隔开，当它们进入 喉部窄狭通道之前相互纠缠在一起的机率明显减小。小出屑口如果只有一支切屑，即使切屑稍长也不 致堵塞在喉部；如果有两支切屑（当钻齿总数为5 时，将有2个钻齿移向小出屑口一侧），由于二支切 屑之间存在间隔，仍不易互相发生干扰。 由此可见，错齿钻的排屑条件比单出钻有明显改 善。,错齿钻使内排屑深孔钻的受力条件大有改观 尽管错齿钻发明的原始动因在于改善单齿钻排屑状况，但由此带来了内排屑深孔受力条件的合理化，提高了内排屑钻的功能，最终几乎完全取代了单齿钻。 图2-18（a）、（b）分别为磨出分屑刃的单齿钻和错齿钻的受力示意图，其各分屑刃和刀齿按实际比例画出。由图（a）可以看出，单齿钻的各刃所受主切削力PMA，PMB和PMD，方向相同，均指向第一导条，由第一导条所受的支反力PG1来平衡。再看图（b）中的错齿钻，其a、b、d三个刃的主切削力PMA、PMB、PMD指向第一导条，而c齿的主切削力PMC则相反，并抵销了a，b，d三齿主切削力合力的一部分，从而使第一导条的支反力PG1也相应减小，,水平方向的切削分力情况也与上类似。单齿钻b、d刃的径向切削分力PRB、PRD指向第二导条，仅有a刃与之相反。其合力仍指向第二导条，因此第二导条所受支反力PG2也较大。错齿钻因c齿所受径向切削分力PRC与PRB和PRD方向相反，所以相应减小了第二导条所受支反力。 由于错齿钻两个导条压力的减小，也相应降低了整个钻头的摩擦转矩，并合乎逻辑地导致切削功率降低，导条寿命增加，切削热减小，钻杆扭转变形减小从而工作平稳性提高等一系列正面效果。,错齿BTA钻的机夹可转位化和刀片涂层化，其优势是显而易见的： （1）解决了错齿钻重磨的难题 机夹可转位错齿钻一般选用三角或四角形的刚性标准刀片。导向条一端磨损后，可转位重新安装。因此，各钻齿和导条可以随时（包括在机床上）更换。使用机夹刀齿、导条备件时，刀体可长期使用。,（2）焊接式错齿钻使用专用刀片，而机夹可转位错齿钻采用标准刀片，刀具成本可相对降低。 （3）容易改换刀片材料和断屑台参数，例如可针对工件材质选用不同的刀片材料（包括硬质合金基体和涂层材料），使加工条件达到最优化。 （4）由于刀齿的分工和安装角度、位置的可操作性，可使切削力降低，钻头工作更加平稳，从而使加工效率和钻头寿命提高。,BTA刀具的机夹可转位化也有其局限性。 首先，它使钻头的结构和工艺复杂化，对于65mm以下（常用钻头直径多在此范围内）的实体错齿钻很难实现。 其次，错齿机夹可转位BTA钻的价位过高。,3.4 导向条参数的确定,二导向条的位置，导向条的宽度、长度、结构型式、前后倒锥角度和导条材料的选择。 导向条的位置确定：第一导向条855， 第二导向条1835 导条宽度：取二导条总宽度为钻头直径的50%。 此时，供油通道面积为排屑口喉部通道面积的 0.125D2/0.09D2=1.4倍